Nghiên cứu khả năng hấp phụ các ion Cu(II), Zn(II), Pb(II) của than bùn hoạt hóa bằng dung dịch HCl

UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.2, NO.4 (2012) 28 NGHIấN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ CÁC ION CU(II), ZN(II), PB(II) CỦA THAN BÙN HOẠT HÓA BẰNG DUNG DỊCH HCL Trần Mạnh Lục, Lờ Thị Hồng Dương* . TểM TẮT Mõ̃u than bựn lṍy từ vùng Liờn Chiểu - Đà Nẵng được hoạt hóa bằng dung dịch HCl. Mõ̃u than bùn sau hoạt hóa với kớch thước hạt ≤ 0.5mm được sử dụng làm vật liệu hṍp phụ cỏc ion Cu2+ , Zn2+, Pb2+ trong dung dịch nước ở nhiệt độ phũng. Trong điều kiện hṍp phụ bể có khuṍy thỡ thời gian đạt cõn bằng hṍp phụ đụ́i với Cu2+ là 90 phỳt, Pb2+ là 70 phỳt, Zn2+ là 60 phỳt; pH = 5 đụ́i với cả 3 ion Cu2+, Pb2+, Zn2+ . Tải trọng hṍp phụ cực đại của Pb2+ > Cu2+ > Zn2+ và giỏ trị lõ̀n lượt là: qmax (Pb2+) = 12,84 (mg/g); qmax (Cu2+) = 7,12 (mg/g). qmax (Zn2+) = 5,46 (mg/g) . Ái lực hṍp phụ của Cu2+ = 0,066; của Pb2+ = 0,075; của Zn2+ = 0,048. Do ỏi lực với ion Pb2+ > Cu2+ > Zn2+ nờn khả năng hṍp phụ ion kim loại giảm dõ̀n theo thứ tự : Pb2+ > Cu2+ > Zn2+. Cỏc kết quả thu được cho thṍy mụ hỡnh hṍp phụ đẳng nhiệt Langmuir mụ tả khỏ chớnh xỏc sự hṍp phụ của M2+ lờn than bùn hoạt hóa, đồng thời chỉ ra khả năng thuận lợi để sử dụng than bùn vào mục đớch tỏch cỏc ion kim loại nặng khỏi mụi trường nước. Từ khoỏ: than bùn, hṍp phụ, mụi trường, vật liệu, Langmuir. 1. Đặt vấn đề Khả năng hấp phụ, trao đổi cation của cỏc chất mựn trong than bựn được phỏt hiện bởi Beczelius. Nhờ đặc tớnh quý bỏu này đó giải thớch được nhiều hiện tượng khụng bỡnh thường trong tự nhiờn, cũng như làm cho than bựn ngày càng được nghiờn cứu, ứng dụng rộng rói trong cụng nghiệp và nụng nghiệp [1,2]. Cỏc nghiờn cứu của A.Szalay về khả năng hấp phụ UO22+ trong dung dịch loóng của than bựn cho thấy tớnh qui luật trong những thớ nghiệm - đú là phự hợp tụ́t với lý thuyết của Langmuir về sự hấp phụ. Đường đẳng nhiệt cú độ dụ́c rất lớn phỏt triển từ nồng độ uran thấp, nhưng sau đú nhanh chúng đạt đến mức độ bóo hũa. Quỏ trỡnh hấp phụ là thuận nghịch [3]. Khi nghiờn cứu sử dụng than bựn trong mục đớch bảo vệ mụi trường, cỏc nhà khoa học ở Minxcơ đó cho thấy: ở qui mụ cụng nghiệp, than bựn cú thể được sử dụng cú hiệu quả để tỏi sinh nước thải khỏi cỏc ion Hg2+, Pb2+ và cỏc chất phúng xạ. Họ cũng chỉ ra rằng than bựn sau khi xử lý khụng những là chất hấp phụ tụ́t với nước thải mà cũn là chất hấp thụ chọn lọc cỏc sản phẩm dầu mỏ [4]. 2. Phương phỏp tiến hành Mõ̃u than bựn lấy từ vựng Liờn Chiểu- Đà Nẵng được hoạt húa bằng dung dịch axit HCl nồng độ 4M, thời gian 1 giờ; tỉ lệ than bựn/dung dịch HCl = 1(g)/3(ml). Mõ̃u than bựn sau hoạt húa cú độ ẩm: 19,31%, hàm lượng hữu cơ: 66,02%, hàm lượng tro: 16,56%, diện tớch bề mặt: 0.9331 m²/g ± 0.0376 m²/g [5]. Khả năng hấp phụ cỏc ion Cu2+, Zn2+, Pb2+ (kớ hiệu chung là M2+) trong dung dịch nước của than bựn hoạt húa được tiến hành ở điều kiện hấp phụ bể với cỏc yếu tụ́ TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC TẬP 2, SỐ 4 (2012) 29 ảnh hưởng là thời gian hấp phụ, nồng độ cỏc ion và pH của dung dịch. Tải trọng hấp phụ cực đại (qmax ) và ỏi lực hấp phụ (b) của than bựn hoạt húa đụ́i với cỏc ion Cu2+, Zn2+, Pb2+ được xỏc định qua việc sử dụng dạng tuyến tớnh của phương trỡnh hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir.: maxmax . 1 . 1 qb C qq C f f += Cf: nồng độ lúc cõn bằng q: tải trọng hấp phụ tại thời điểm cõn bằng. q max : tải trọng hấp phụ cực đại. b: ỏi lực hấp phụ. 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Khảo sát thời gian đạt cõn bằng hấp phụ Điều kiện tiến hành: than bựn hoạt húa: 0,5 gam, 50ml dung dịch M2+ cú cỏc nồng độ tương ứng là: 131,20 (mg/l) đụ́i với Cu2+, 137,40 (mg/l) đụ́i với Pb2+ và 117,81 (mg/l) đụ́i với Zn2+ , pH = 5, thời gian thay đổi từ 20 - 150 phỳt. Cỏc kết quả được trỡnh bày trờn hỡnh 3.1. Hỡnh 3.1. Tải trọng hấp phụ của ion M2+ theo thời gian Nhận xột: Từ kết quả chúng tụi thấy tải trọng hấp phụ ion M2+ tăng theo thời gian. Trong khoảng thời gian đầu thỡ tải trọng hấp phụ tăng đều. Sau đú trở đi thỡ tải trọng hấp phụ tăng ớt và gần như khụng đổi. Thời gian đạt cõn bằng hấp phụ đụ́i với Cu2+ là 90 phỳt, Pb2+ là 70 phỳt, Zn2+ là 60 phỳt. Thời gian đạt cõn bằng hấp phụ của cỏc ion khỏc nhau cú thể được giải thớch là do khả năng liờn kết của cỏc ion loại với cỏc axit cú trong than bựn. Khả năng liờn kết này bị ảnh hưởng bởi cấu trúc của than bựn sau hoạt húa và kớch thước của cỏc ion kim loại. 3.2. Ảnh hưởng của pH Điều kiện tiến hành: than bựn hoạt húa: 0,5 gam, 50ml dung dịch M2+ cú cỏc nồng độ tương ứng là: 131,20 (mg/l) đụ́i với Cu2+, 137,40 (mg/l) đụ́i với Pb2+ và 117,81 (mg/l) đụ́i với Zn2+, thời gian lần lượt là: 90 phút đụ́i với Cu2+, 70 phút đụ́i với Pb2+, 60 phút đụ́i với Zn2+, pH thay đổi từ 2 - 6. Cỏc kết quả được biểu diễn trờn hỡnh 3.2. UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.2, NO.4 (2012) 30 Hỡnh 3.2. Ảnh hưởng pH đến khả năng hấp phụ ion M2+ Qua kết quả khảo sỏt ảnh hưởng của pH dung dịch đến khả năng hấp phụ của cỏc ion kim loại cú thể thấy: Khả năng hấp phụ ion M2+ của than bựn hoạt húa phụ thuộc rất lớn vào pH của dung dịch hấp phụ, phự hợp với qui luật chung của quỏ trỡnh tạo phức giữa cỏc ion kim loại với phụ́i tử thuộc nhúm cỏc axit yếu HnL. + Ở pH thấp, khả năng hấp phụ của than bựn hoạt húa khụng đỏng kể, và khả năng đú tăng khi pH của dung dịch hấp phụ tăng từ 3 - 5. Nguyờn nhõn là do sự kộm ổn định của phức chelat tạo thành giữa ion kim loại với cỏc phụ́i tử là cỏc axit humic, axit funvic (cú trong than bựn) ở vựng pH thấp. Mặt khỏc, cỏc phụ́i tử liờn kết chặt chẽ với ion H+ nờn khụng cú hoặc kộm cú khả năng tương tỏc phụ́i trớ với cỏc ion kim loại. Lúc này phản ứng phụ́i trớ giữa ion kim loại với đụi điện tử tự do ở nguyờn tử N hay O cạnh tranh với phản ứng proton húa nhúm amino – NH2 thành – NH3+. Vỡ vậy, nồng độ ion M2+ cũn lại sau khi hấp phụ càng cao khi pH của dung dịch hấp phụ càng thấp. + Tại pH = 5, khả năng hấp phụ của than bựn hoạt húa là lớn nhất. Khi pH > 5, khả năng hấp phụ giảm. Nguyờn nhõn là ở pH cao, nhúm amino khụng bị proton húa và ion kim loại dễ dàng liờn kết với nhúm amino. Mặt khỏc, ở pH > 5 cú sự thuỷ phõn của M2+ trong dung dịch tạo thành cỏc sản phẩm M(OH)+ và M(OH)2. 3.3. Ảnh hưởng nồng độ đầu của ion M2+ Điều kiện tiến hành: than bựn hoạt húa: 0,5 gam, thể tớch dung dịch M2+: 50ml, thời gian lần lượt là: 90 phỳt đụ́i với Cu2+, 70 phỳt đụ́i với Pb2+, 60 phỳt đụ́i với Zn2+, pH = 5, nồng độ M2+ thay đổi 25mg/l đến 300 (mg/l). Cỏc kết quả được trỡnh bày trờn hỡnh 3.3. TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC TẬP 2, SỐ 4 (2012) 31 Hỡnh 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ đầu ion M2+ đến tải trọng hấp phụ Nhận xột: Cỏc kết quả trờn hỡnh 3.3 cho thấy tải trọng hấp phụ ion M2+ lờn than bựn sau hoạt húa tăng dần theo chiều tăng của nồng độ đầu của ion kim loại. Ở nồng độ thấp tải trọng hấp phụ tăng tương đụ́i tuyến tớnh, khi nồng độ tăng lờn thỡ tải trọng hấp phụ tăng chận và sau đú gần như khụng đổi vỡ đó đạt bóo hũa . 3.4. Xác định tải trọng hấp phụ cực đại Từ cỏc đường hầp phụ đẳng nhiệt thu được trờn hỡnh 3.1, 3.2, 3.3 cho phộp dự đoỏn cú thể dựng phương trỡnh đẳng nhiệt Langmuir để đỏnh giỏ quỏ trỡnh hấp phụ cỏc ion Cu2+, Zn2+, Pb2+ lờn than bựn hoạt húa. 3.4.1. Dạng tuyến tớnh của phương trỡnh Langmuir đối với Cu2+ Dạng tuyến tớnh của phương trỡnh Langmuir đụ́i với Cu2+ thể hiện trờn hỡnh 3.4. Hỡnh 3.4. Dạng tuyến tớnh của phương trỡnh Langmuir đụ́i với Cu2+ Phương trỡnh đẳng nhiệt Langmuir đụ́i với Cu2+: y = 0,1404x + 2,1314 (1) Từ phương trỡnh (1) ta tớnh được: + Tải trọng hấp phụ cực đại: qmax (Cu2+) = 1404,0 1 = 7,12 (mg/g); + Ái lực hấp phụ: b(Cu2+) = 1314,2.12,7 1 = 0,066. 3.4.2. Dạng tuyến tớnh của phương trỡnh Langmuir đối với Pb2+ UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.2, NO.4 (2012) 32 Dạng tuyến tớnh của phương trỡnh Langmuir đụ́i với Pb2+ thể hiện trờn hỡnh 3.5 Hỡnh 3.5. Dạng tuyến tớnh của phương trỡnh Langmuir đụ́i với Pb2+ Phương trỡnh đẳng nhiệt Langmuir đụ́i với Pb2+: y = 0,0779x + 1,0412 (2) Từ phương trỡnh (2) ta tớnh được: + Tải trọng hấp phụ cực đại: qmax (Pb2+) = 0779,0 1 = 12,84 (mg/g). + Ái lực hấp phụ: b(Pb2+) = 0412,1.84,12 1 = 0,075 3.4.3. Dạng tuyến tớnh của phương trỡnh Langmuir đối với Zn2+ Dạng tuyến tớnh của phương trỡnh Langmuir đụ́i với Zn2+ thể hiện trờn hỡnh 3.4. Hỡnh 3.6. Dạng tuyến tớnh của phương trỡnh Langmuir đụ́i với Zn2+ Phương trỡnh đẳng nhiệt Langmuir đụ́i với Zn2+: y = 0,183x + 3,8072. (3) Từ phương trỡnh (3) ta tớnh được: + Tải trọng hấp phụ cực đại: qmax (Zn2+) = 183,0 1 = 5,46 (mg/g) + Ái lực hấp phụ: b(Zn2+) = 8072,3.46,5 1 = 0,048 TẠP CHÍ KHOA HỌC XÃ HỘI, NHÂN VĂN VÀ GIÁO DỤC TẬP 2, SỐ 4 (2012) 33 Nhận xét: tải trọng hấp phụ cực đại của than bựn hoạt hoỏ đụ́i với Pb2+ > Cu2+ > Zn2+ và giỏ trị lần lượt là: qmax (Pb2+) = 12,84 (mg/g); qmax (Cu2+) = 7,12 (mg/g); qmax (Zn2+) = 5,46 (mg/g) Giỏ trị ỏi lực hấp phụ của Cu2+ = 0,066; của Pb2+ = 0,075; của Zn2+ = 0,048. Do ỏi lực với ion Pb2+ > Cu2+ > Zn2+ nờn khả năng hấp phụ ion kim loại giảm dần theo thứ tự : Pb2+ > Cu2+ > Zn2+. Cú thể giải thớch về khả năng hấp phụ cỏc ion kim loại của than bựn hoạt húa như sau: khả năng hấp phụ phụ thuộc vào bản chất của ion kim loại. Đụ́i với ion cựng húa trị như Pb2+, Cu2+, Zn2+ thỡ ion nào cú bỏn kớnh lớn hơn sẽ cú lớp vỏ hydrat hoỏ mỏng hơn và như thế sẽ bị hấp phụ mạnh hơn. Ngoài ra, ion Pb2+ rất dễ bị thủy phõn, do vậy trong quỏ trỡnh hấp phụ cú một lượng lớn hydroxit chỡ đó bỏm trờn bề mặt vật liệu hấp phụ. Từ hệ sụ́ tương quan R2 của phương trỡnh hồi qui đụ́i với Cu2+ = 0,9985, đụ́i với Pb2+ = 0,9947 và đụ́i với Zn2+ = 0,9965 cú thể thấy mụ hỡnh hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir mụ tả khỏ chớnh xỏc sự hấp phụ của M2+ lờn than bựn sau hoạt húa. 4. Kết luận Việc nghiờn cứu sử dụng than bựn hoạt húa bằng dung dịch HCl làm vật liệu hấp phụ cỏc ion Cu2+ , Zn2+, Pb2+ từ dung dịch ở nhiệt độ phũng, trong điều kiện hấp phụ bể, cú khấy trộn thu được cỏc kết quả sau: 1. Thời gian đạt cõn bằng hấp phụ đụ́i với Cu2+ là 90 phỳt, Pb2+ là 70 phỳt, Zn2+ là 60 phỳt. 2. pH thớch hợp = 5 đụ́i với cả 3 ion Cu2+, Pb2+, Zn2+ . 3. Tải trọng hấp phụ cực đại của than bựn hoạt hoỏ của Pb2+ > Cu2+ > Zn2+ và giỏ trị cụ thể lượt là: qmax (Pb2+) = 12,84 (mg/g); qmax (Cu2+) = 7,12 (mg/g). qmax (Zn2+) = 5,46 (mg/g) 4. Giỏ trị ỏi lực hấp phụ của Cu2+ = 0,066; của Pb2+ = 0,075; của Zn2+ = 0,048. Do ỏi lực với ion Pb2+ > Cu2+ > Zn2+ nờn khả năng hấp phụ ion kim loại giảm dần theo thứ tự : Pb2+ > Cu2+ > Zn2+. Cỏc kết quả thu được thấy mụ hỡnh hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir mụ tả khỏ chớnh xỏc sự hấp phụ của M2+ lờn than bựn hoạt húa, đồng thời chỉ ra khả năng thuận lợi để sử dụng than bựn vào mục đớch tỏch cỏc ion kim loại nặng khỏi mụi trường nước. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Mười, Trần Nguyờn Chớnh, Đỗ Nguyờn Hải, Hoàng Văn Mựa, Phạm Thanh Nga, Đào Chõu Thu, (2005), Giỏo trỡnh thổ nhưỡng học, Nxb Nụng Nghiệp, Hà Nội. UED JOURNAL OF SOCIAL SCIENCES, HUMANITIES AND EDUCATION VOL.2, NO.4 (2012) 34 [2] Thõn Văn Liờn, Đoàn Thị Mơ, Lờ Quang Thỏi, Nguyễn Đỡnh Văn, Ngụ Văn Tuyến, Hoàng Bớch Ngọc, Đỗ Quý Sơn, Thỏi Bỏ Cầu (1997), Trao đổi ion trong bựn. Tạp chớ Hoỏ học, T.35(3/1997), Tr.71 [3] A. Szalay (1974), Sự tớch tụ Uran và cỏc kim loại hiếm khỏc trong than đỏ, cỏc phiến thực vật và vai trũ của axit humic trong sự làm giàu địa hoỏ đú, Stục khụm. [4] PL.Belkevich, AR.Givtova (1979), Than bựn và những vấn đề bảo vệ mụi trường, NXB Minxcơ. [5] Trần Mạnh Lục, Lờ Thị Hồng Dương (2012), “Nghiờn cứu hoạt húa than bựn Liờn Chiờ̉u - Đà Nẵng bằng dung dịch HCl”, Tạp chớ Khoa học & Giỏo dục, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng, sụ́ 3, Tr. 30-37. A STUDY ON THE ACTIVATED PEAT ‘S ABSORPTION OF CU(II), ZN(II), PB(II) IONS BY HCL SOLUTION Tran Manh Luc, Le Thi Hong Duong The University of Da Nang - University of Science and Education ABSTRACT The sample taken from the peat source in Lien Chieu - Da Nang was activated by HCl solution. The activated peat sample with the size of the particles ≤ 0.5mm was used as an absorption material of Cu2+, Zn2+, Pb2+ ions in water solution at room temperature. In the absorption condition that the tank was stirred and mixed, time to achieve absorption balance was 90 minutes for Cu2+, 70 minutes for Pb2+, 60 minutes for Zn2+ and pH was 5 for the 3 ions. Maximum absorption quantity of Pb2+ > that of Cu2+ >that of Zn2+ and the values were: qmax (Pb2+) = 12,84 (mg/g); qmax (Cu2+) = 7,12 (mg/g). qmax (Zn2+) = 5,46 (mg/g). The absorption affinity of Cu2+ was 0,066; of Pb2+ = 0,075; of Zn2+ = 0,048. Because the affinity of Pb2+ ion > that of Cu2+ > that of Zn2+, the metal’s absorption of ions decreases in order : Pb2+ > Cu2+ > Zn2+. The results that we obtained showed that the Langmuir model described quite accurately the absorption of M2+ in activated peat. At the same time, it showed the possibility of using activated peat for the purpose of separating heavy metal ions from the water environment. Keywords: peat, absorption, environment, material, Langmuir. *Trần Mạnh Lục, email: tranmanhluc1956@gmail.com, Lờ Thị Hồng Dương, Khoa hoỏ , Trường Đại học Sư phạm - Đại học Đà Nẵng.